Global warming as a consequence of the anthropogenic emission of greenhouse gases is an issue of global concern. Therefore, the United Nations – Framework Convention on Climate Change has set the goal to keep the increase of the global warming below 2 °C. To realise this goal, the global greenhouse gas emissions need to be reduced to a level of 60% of the emissions in 2010, until the year 2050. Due to the fact that about 5-8 % of the global CO2 emissions originate from the production of Portland cement clinker, the request for lower CO2 emissions is of great concern for the cement industry. Besides process optimisation and the use of alternative fuels, the replacement of Portland cement clinker by supplementary cementitious materials (SCM) is an efficient way to re-duce the CO2 emissions related to cement production. Siliceous fly ash is one of the most available SCM in Germany. This material is a by-product of the combustion of hard coal in power plants. The present thesis studies the effect of siliceous fly ash on the hydration of blended Port-land cement containing 50 wt% of siliceous fly ash. To achieve this goal, a multi-method approach using various techniques to characterise the hydration kinetics, solid hydration products, pore solution and the microstructure has been used. To differentiate between the exclusively physical effect of the addition of fillers and the chemical reaction of the fly ash, the investigated samples were compared to a reference containing 50 wt% of quartz powder instead of fly ash. The quartz powder has proven to be a suitable reference material due to its practically inert behaviour in alkaline solutions. A test of the quartz powder in KOH solution with Ca(OH)2 during 90 days has merely shown any pozzolanic reactivity at 23 °C. Apart from the filler effect, no effect of fly ash on the hydration could be measured before 2 days. Afterwards, evidence of the pozzolanic reaction was given by a decrease of the portlandite content and the formation of C-S-H with decreased Ca/Si atomic ratios and in-creased amounts of incorporated Al. The effect of the pozzolanic reaction was reflected in the pore solution chemistry, which showed decreased concentrations of Ca and increased Al and Si concentrations. The analysis of the microstructure showed the formation of hydrate phases on the surface of fly ash particles within the first days of hydration. The origin of the first hydrate phases was however assumed to mainly originate from the hydration of the Portland cement and only to a minor extent from the dissolution of fly ash. After 7 days, the microstructure of the fly ash particles showed the formation of an inner hydration product, characterised by a gel-like consistency with a low density or a high content of water, respectively. Additionally, a strong impact of the temperature on the hydration of fly ash blended Port-land cement was found. The rate of the fly ash reaction was accelerated with increasing temperature, and hence the affection of the hydration by the pozzolanic reaction was shifted to earlier hydration times. Above 50 °C, the solubility of ettringite is increased, which led to the destabilisation of this hydrate phase. The thereby released sulphate was enriched in the pore solution and the C-S-H phase.Ca and Al were precipitated as siliceous hydrogarnet, whose formation was kinetically hindered at room temperature and occurred only at higher temperatures or after very long hydration times. The formation of siliceous hydrogarnet was further enhanced by the fly ash reaction due to the considerable amount of released aluminate from the reaction of the fly ash glass. The temperature related changes in the phase assemblage were confirmed by thermodynamic modelling, performed with the help of GEMS (Gibbs energy minimisation software). The change of the microstructure was similar as in pure OPC. Elevated temperatures led to the formation of a more heterogeneous matrix of hydrates with a higher density of the C-S-H. To directly investigate the reaction kinetics of fly ash within blended Portland cement an image analysis procedure has been developed using grey level segmentation, grey level filtering and morphological filtering to quantify the content of anhydrous fly ash in BSE images. The analysis of 600 images per sample yielded comparable results to conservative techniques, like selective dissolution using a solution of Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and NaOH.

Um der globalen Klimaerwärmung und deren Konsequenzen vorzubeugen, haben sich die Vereinten Nationen (United Nations Framework Convention) das Ziel zu Eigen gemacht, den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur auf maximal 2 °C einzuschränken. Um dieses Ziel zu erreichen, soll die Emission von Treibhausgasen bis 2050 auf 60 % des Levels von 2010 reduziert werden. Da die Produktion von Portlandzementklinker etwa 5 bis 8 % der globalen CO2-Emissionen ausmacht, steht auch die Zementindustrie in der Pflicht, entsprechende Maßnahmen zur Minderung der CO2-Emissionen zu ergreifen. Neben prozesstechnischen Optimierungen und der Verwendung alternativer Brennstoffe, können die CO2-Emissionen bei der Zementherstellung insbesondere durch die Reduktion des Klinkergehalts, bei gleichzeitig vermehrtem Einsatz mineralischer Zumahlstoffe, gesenkt werden. Als Zumahlstoffe werden unter anderem, industrielle Nebenprodukte wie Hochofenschlacke oder Flugasche verwendet. Flugaschen, die bei der Verbrennung von Steinkohle in Kraftwerken anfallen, erweisen sich in Deutschland auf Grund ihrer hohen Verfügbarkeit als besonders geeignete Zumahlstoffe. Die vorliegende Dissertation zeigt den Effekt von Steinkohleflugasche auf die Hydratation eines Portlandzements mit 50 % Flugascheanteil. Dazu wurden entsprechende Zementpasten mit 50 % Portlandzement und 50 % Steinkohleflugasche mit verschiedenen Methoden untersucht. Die Hydratationskinetik, die Entwicklung der Hydratphasen, die Porenlösungschemie und die Mikrostruktur wurden charakterisiert. Um zwischen dem rein physikalisch wirkenden Füller-Effekt der Flugasche und dem Effekt der chemischen Reaktionen der Flugasche zu unterscheiden, wurden Proben mit 50 % Quarzmehl anstatt Flugasche als Referenz benutzt. Auf Grund des praktisch inerten Verhaltens des Quarzmehls in KOH Lösungen mit Ca(OH)2 über einen Zeitraum von 90 Tagen bei 20 °C, hat sich das Quarzmehl als geeignetes Referenzmaterial erwiesen. Neben der physikalischen Wirkung als Füllstoff, konnten bei der Hydratation der unter-suchten Zemente während der ersten 2 Tage keine weiteren Einflüsse der Flugasche auf die Hydratation gemessen werden. Zu späteren Zeiten wurde die puzzolanische Reaktion der Flugasche durch den steten Verbrauch von Portlandit (Ca(OH)2) und die Bildung von C-S-H Phasen mit reduziertem Ca/Si Atomverhältnissen und einem erhöhten Einbau von Al aufgezeigt. Die Effekte der puzzolanischen Reaktion spiegelten sich auch in der Entwicklung der Porenlösungszusammensetzung wieder: die Konzentration an Ca nahm ab, während die Al und Si Konzentrationen zunahmen. Die Analyse der Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie zeigte, dass sich auf den Oberflächen der Flugaschepartikel während der ersten 2 Tage ein Saum aus Hyd-ratphasen bildete. Es wurde allerdings angenommen, dass diese Hydratphasen größten-teils auf die Hydratation des Portlandzementklinkers zurückzuführen waren. Nach 7 Tagen wies die Mikrostruktur der Flugaschepartikel erstmals ein inneres Hydratationsprodukt auf, welches sich durch eine niedrige Dichte, bedingt durch einen hohen Wassergehalt, auszeichnete. Während des gesamten Untersuchungszeitraums wurde mit der langsam fortschreitenden Auflösung der Flugasche ein steter Zuwachs des inneren Hydratationsproduktes beobachtet. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Umgebungstemperatur einen bedeutenden Einfluss auf das Abbinden der untersuchten Zemente hatte. Bei erhöhten Temperaturen wurde die Flugaschereaktion beschleunigt, wodurch der Effekt der puzzolanischen Reaktion auf die Zementhydratation früher zum Tragen kam. Die erhöhte Löslichkeit von Ettringit bei ansteigenden Temperaturen führte zur Freisetzung von Sulfat, welches sich in der Porenlösung und in C-S-H Phasen anreicherte. Freigesetztes Ca und Al wurde in Silikat-reichen Hydrogranat, welcher sich vermehrt bei höheren Temperaturen und steigendem Flugaschereaktionsgrad bildete, gebunden. Die Temperatur-bedingten Veränderungen der Phasenzusammensetzung konnten mittels thermodynamischer Berechnungen mit GEMS (Gibbs energy minimisation software) modelliert und nachvollzogen werden. Darüber hinaus wurde mit erhöhter Temperatur eine zunehmend ungleichmäßigere Mikrostruktur und eine erhöhte Dichte der C-S-H Phasen festgestellt. Um die Reaktionskinetik der Flugasche zu bestimmen, wurde ein Bildanalyse-Verfahren zur Auswertung von Rasterelektronenmikroskopbildern entwickelt. Bei diesem Verfahren kann durch Kombination verschiedener Morphologie- und Graustufenfilter, sowie Segmentierungen, der Gehalt an nicht-hydratisierten Flugaschepartikeln bestimmt werden. Die Ergebnisse der Analyse von 600 Bildern pro Probe waren vergleichbar zu konventionellen Verfahren, wie der selektiven Auflösung mit Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) Lösung und NaOH.